BDS/GPS Dual-Mode Software Receiver: Principles and Implementation Technology, ISBN-13: 978-9811610776

BDS/GPS Dual-Mode Software Receiver: Principles and Implementation Technology, ISBN-13: 978-9811610776

[PDF eBook eTextbook]

• Publisher: ‎ Springer; 1st ed. 2021 edition (May 17, 2022)
• Language: ‎ English
• 533 pages
• ISBN-10: ‎ 9811610770
• ISBN-13: ‎ 978-9811610776

This book introduces readers to the algorithm of Compass & GPS dual-system software receivers, and to the software implementation. It provides detailed descriptions of key theories in the fields of signal processing, communication, control, and signal estimation. The book is based on the author’s extensive experience in GNSS receiver design.

Table of Contents:

1 Positioning, Coordinate System, and Time Standard . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 The Question Raised . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.1 Basic Purpose and Basic Positioning System . . . . . . . . . . . . . 2
1.1.2 TheWorkings of a Clock . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4
1.1.3 AModified System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
1.1.4 Summary of theModified System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
1.2 Common Coordinate Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.1 Earth Centered Inertial Frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
1.2.2 The Geodetic Frame . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
1.2.3 The ECEF Coordinate System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1.2.4 The ENU or NED Coordinate System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
1.2.5 The Body Frame Coordinate System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
1.3 The Time System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.1 Solar Time and Sidereal Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
1.3.2 Dynamical Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.3.3 Atomic Time and Coordinated Universal Time (UTC) . . . . . 28
1.3.4 GPS Time (GPST) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
1.3.5 BeiDou Time (BDT) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
2 Brief Introduction to the GPS and BeiDou Satellite Navigation
Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.1 The History of the GPS System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37
2.2 The Construction of the GPS System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
2.3 The GPS Modernization Plan . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56
2.4 An Overview of BDS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71
3 GPS and the Signal Format and Navigation Message of BDS-2 . . . . . 73
3.1 The GPS Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
3.1.1 The Generation Mechanism of the GPS Signal . . . . . . . . . . . 74
3.1.2 The C/A Code Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81
3.1.3 Autocorrelation and Cross-Correlation of C/A Codes . . . . . . 86
3.2 The BeiDou Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2.1 BDS Signal Structure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
3.2.2 BDS Pseudo-Random Code Generator . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
3.2.3 Autocorrelation and Cross-Correlation of BDS
Pseudo-Random Codes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
3.3 Navigation Messages . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.3.1 The GPS NavigationMessage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
3.3.2 The BDS NavigationMessage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117
3.4 Time Relationships Among Various Satellite Signals . . . . . . . . . . . . 127
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4 Capture and Tracking of the Signal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
4.1 Signal Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.1.1 The Concept of Signal Acquisition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
4.1.2 Signal Capture Based on the Time Domain Correlator . . . . . 144
4.1.3 Signal Acquisition Based on the Matched Filter . . . . . . . . . . 153
4.1.4 Signal Capture Based on FFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.1.5 Signal Acquisition Combing Short-Time Correlation
Matched Filter and FFT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
4.1.6 Signal CaptureBased on Data Blocking and Frequency
Compensation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4.1.7 Threshold Setting for Signal Capture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 180
4.1.8 Coherent Integration and Non-coherent Integration . . . . . . . 184
4.2 Signal Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
4.2.1 The Basic Phase-Locked Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 192
4.2.2 Thermal Noise Performance Analysis of the Linear
Phase-Locked Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
4.2.3 Carrier Tracking Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 207
4.2.4 The Pseudo-Code Tracking Loop . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221
4.2.5 Problems in Tracking Loop Implementation
and Debugging . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 234
4.2.6 Bit Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 254
4.2.7 Sub-frame Synchronization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 261
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 264
5 Dual Mode Observation Extraction and Error Analysis . . . . . . . . . . . . 267
5.1 Pseudo-Range Observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 268
5.2 Carrier Phase Observation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 274
5.3 Doppler Frequency and Integral Doppler Observation . . . . . . . . . . . . 278
5.4 Analysis of Measurement Error Features . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
5.4.1 Satellite Clock Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 283
5.4.2 Ephemeris Error . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 285
5.4.3 Ionospheric Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 287
5.4.4 Tropospheric Delay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 292
5.4.5 TheMultipath Effect . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 294
5.4.6 Receiver Errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
5.5 Differential GNSS Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 299
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 317
6 Calculating a Satellite’s Position and Velocity . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
6.1 Satellite Orbit Theory . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 319
6.2 GPS Satellites and BDS MEO/IGSO Satellites . . . . . . . . . . . . . . . . . . 329
6.3 BDS GEO Satellite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
6.4 Interpolation Calculation of Satellite Position and Velocity . . . . . . . 339
6.5 Precise Ephemeris and Ephemeris Expansion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 342
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 348
7 Position, Velocity, and Time Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
7.1 The Least-Squares Solution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
7.1.1 Basic Principles . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352
7.1.2 Weighted Least-Squares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 355
7.1.3 Calculation of Speed and Clock Drift Using Doppler
Observations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 368
7.1.4 Satellite Elevation and Azimuth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 370
7.1.5 Geometric Dilution of Precision . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 373
7.1.6 Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM) . . . . . . 381
7.2 Maximum Solution Separation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 388
7.3 Kalman Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
7.3.1 Recursive Least-Squares . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
7.3.2 The Basic Kalman Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 395
7.3.3 From Continuous Time Systems to Discrete Time
Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
7.3.4 The Extended Kalman Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403
7.3.5 Several KF Models Commonly Used in Receivers . . . . . . . . 406
7.3.6 Technical Processing in the Implementation
of Kalman Filtering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 417
7.4 Summary of the Least-Squares and Kalman Filtering Solutions . . . 423
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 428
8 RF Front-End . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 431
8.1 Transmission and Reception of Satellite Signals . . . . . . . . . . . . . . . . . 432
8.2 Noise Figure of the Cascaded System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 436
8.3 Bandpass Sampling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 438
8.4 IF Sampling and RF Sampling Schemes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
8.4.1 IF Sampling Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442
8.4.2 RF Sampling Scheme . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 446
8.5 Automatic Gain Control (AGC) and Quantization Bit Width . . . . . . 450
8.6 The Relationship Between RF Carrier-to-Noise Ratio
and Baseband Signal-to-Noise Ratio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 455
8.6.1 Case Analysis of the RF Front-End Frequency Scheme . . . . 457
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 460
9 Implementation of BDS/GPS Dual-Mode Software Receivers . . . . . . . 463
9.1 Signal Source for Dual-Mode Software Receivers . . . . . . . . . . . . . . . 464
9.2 Software Modules and Program Interfaces for Dual-Mode
Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 466
9.3 Data Processing in Dual-Mode Receivers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 474
Appendix A: Basic Matrices and Vector Operations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 485
Appendix B: Conversion and Rotation of the Cartesian Coordinate
System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 499
Appendix C: Mean and Variance of NBP and WBP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 507
Appendix D: Derivations Related to the Elliptical Orbit
of the Satellite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 511
Appendix E: The Klobuchar Model with Ionospheric Delay . . . . . . . . . . . 517

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